日出的玄机_参考网

日出的玄机

2011-07-13□李鉴

太空探索 2011年10期

□ 李鉴

“光映潜云酿紫气，日跃金盘舞岚烟”，这句形容日出的诗句，是否也唤醒了你心里关于日出的记忆？许多文学作品都曾对日出进行过细致入微的描写，我们在中学课本里就曾熟读过不少日出的场景。然而日破云涛的壮阔磅礴，霞光喷薄的雄奇瑰丽，相信只有亲身经历过的人才能真正品味其中之妙。我曾经两次观看日出，两次都给带给我无穷的震撼，但也两次扼腕于日出的短暂，那摄人心魄的奇景，总是只有短短的两三分钟，着实让人意犹未尽。是不是所有的日出都注定会转瞬即逝呢？这篇文章的目的，就是试图破解这一谜题，并讨论一些关于日出的有意思的话题。

最短的日出

图1 北半球低纬地区的太阳视运动示意图

天文学家告诉我们，日出时间的长短，与观测者所在的地理纬度有关。我们知道，太阳每天东升西落，两次升起之间的时间间隔是24小时。在我们看来，太阳看上去每天绕地球运行一周（360度），这在天文学上称为“周日视运动”，是地球自转引起的视觉效果。因此太阳在天空中每秒钟走过的角度为15角秒（15"），即太阳的周日视运动角速度为：ω=15"/s。如图1所示，太阳的周日视运动轨迹是一个与天极（即正北方向）平行的圆，而天极的地平高度等于观测地的地理纬度（φ），所以太阳视运动圆面与地平面的夹角也和地理纬度有关，如图2所示。

红色虚线是太阳视运动轨迹，日出时间通常都很短（φ较小时），这段轨迹可以视为直线。

图2 不同地方所见的日出示意图

如图2所示，日出的整个过程中太阳运行的距离为AB，从图中不难看出，赤道上AB的长度最短，所以赤道上的日出持续时间最短。通过计算可知，如果忽略地球公转的椭圆效应，在春秋分日，赤道上的日出持续时间大致为128秒。如果不算那些太阳尚未完全升起就已经开始下落的“日出”的话，这就是我们在地球上能见到的最短的完整日出。

需要说明的是，在不同的日期，赤道上看到的日出持续时间也存在微小的差别。这是因为地球在自转（导致周日视运动）的同时，也在围绕太阳公转，公转周期为一年，同时自转的轨道面（即赤道面）与公转轨道面（天文学上称为“黄道”面）存在大约23.5°的夹角。如果我们以冬至那天为起点，在北半球观测日出，这天的太阳直射点是在南回归线上，即南纬23.5°，所以我们看到日出的方位是东偏南23.5°。一天以后，由于地球公转，太阳的直射点将往北偏移一点儿，这时我们看到日出的方位也比冬至日往北偏了一点儿，以后将逐日偏北，直到春分日，太阳直射点移到了赤道上，这天的太阳将从正东方升起。往后日出的方位继续北移，到夏至那天达到最北端——东偏北23.5°，然后再开始反过来往南移，直到秋分日到达正东，冬至日到达东偏南23.5°。如此往复，年复一年。太阳直射点的这种变化涉及到一个与地球公转相关的天文概念——“周年视运动”。简单地说，由于地球存在着公转，当我们从地球上看太阳时，会发现它每天都在遥远的星空背景上缓慢地移动着位置，方向与地球公转方向相同（自西向东），一年移动一周，这就是太阳的“周年视运动”，其运动路径就是黄道。总之，太阳的周年视运动与周日视运动二者的综合结果，使得我们看到的太阳以螺旋线的形式绕着地球运动，它从冬至到夏至的半年时间里的视运动轨迹，就像一圈紧密的弹簧，这个“弹簧”的高度是2×23.5°=47°。周年视运动的存在，使得日出的位置每天都不尽相同，所以日出的持续时间每天都有微小的差别。

在同一天，赤道上见到的日出最短，高纬度地区见到的日出最长（若能见到完整的日出的话）。同一纬度处，春、秋分日见到的日出最短，冬、夏至日见到的日出最长，纬度越高，两分、两至日所见的日出时间之差越大。例如在赤道上，两分日的日出时间为128秒左右，两至日约为138秒。在北京（φ=40°），两分日为167秒左右，两至日约为196秒。

最长的日出

图3 北极日出示意图。左图为地球公转示意图，地球的阴影部分为黑夜，视角为从北往南俯视，地球上的黄色弧线显示的是赤道，注意地球自转轴（以及赤道）与公转平面的夹角。右图为春分日前后在北极点附近经度为0度的地方，观测日出示意图，太阳从A运行到B，走过的轨迹是一段很长的螺旋线（未按实际比例）。

从图2可以看出，地理纬度越高（即φ越大），日出时太阳需走过的路径越长，日出的持续时间也就越长。很容易想到，最长的日出一定发生在南北极点。但南北极的日出可不同于我们常见的日出，有许多特别之处。在我们生活的地方，只要天气晴朗，每天都能见到日出。但是在北极却完全不一样，一年之中，这儿除了半年白昼（从春分日到秋分日），就是半年黑夜（从秋分日到春分日），这在天文学上称为“极昼”与“极夜”。所以在北极点，一年只会发生一次日出与一次日落，日出发生在春分日前后，日落发生在秋分日前后。在南极点恰好相反，日出发生在秋分日前后，日落发生在春分日前后。

在极点，地球自转导致的太阳东升西落现象已经不复存在，要想求出这里见到的日出持续时间，必须以太阳的“周年视运动”为出发点进行分析。以北极点为例，在春分日前后的一段时间里，太阳以螺旋线的形式从地平之下运行到地平以上，完成了日出的整个过程（图3）。这段时间里，它的周年视运动轨迹是黄道上的一段小弧，所经历的时间为1.36天，这就是地球上能见到的最长日出了。

如果有一只北极熊站在北极点，只有经过半年的漫长等待后，才能从黑暗中迎来日出，不过它的等待也是值得的，因为它有足足32.6个小时的时间来欣赏日出的美景！相比于地球其他地方，这绝对算得上奢侈了。以赤道为例，假如有一只生活在赤道的猴子，就算它每天都能看到日出，一年下来，它能看到的日出时间总长也不到13小时，还不到北极熊所见的一半。

最早的日出

在同一天，什么地方见到的日出最早呢？粗略地说，在同一纬度处，自然是越往东（即经度越大）见到的日出越早。而在同一经度处，在从春分（3月21日左右）到秋分（9月21日左右）的半年时间里，纬度越高的地方，日出越早；从秋分到春分的半年时间里，正好相反，纬度越低的地方，日出越早。例如，北京和合肥的经度差不多，都为东经116.5度左右，北京的纬度为北纬40度，合肥为北纬31度。在六一儿童节，北京的日出比合肥要早14分钟左右。而到国庆节这天，北京的日出比合肥晚了大约3分钟。在春分、秋分这两天，北京、合肥的日出时间相同。

在同一个地方，如果想要早一点看到日出，往东走当然是很好的办法。还有一个更简单的方法，那就是爬到高处。因为地球是球形的，登高可以看得更远，当然见到太阳的时间会更早一些。假设我们在北京看日出，我决定去天安门广场（北纬39°54'26.37"，东经116°23'29.22"），而你想留在北京西边的香山（北纬39°58'10.57"，东经116°10'15.24"）脚下，谁会率先见到第一缕阳光呢？我比你更靠东，而我们的纬度又都差不多，我当然会先看到日出。以夏至日为例，我会比你早大约41秒看到日出，冬至日则要比你早65秒。但如果你爬到香山顶上，高度比北京天安门广场高了350米，那么情况就反过来了，你不仅会比我早见到第一缕阳光，而且还要早得多。夏至日那天，你比我早3分钟见到日出，而冬至那天，你也比我早了2分35秒。事实上你只需爬大概30米就已足够（前提是这儿没有遮挡，能见到日出），这样你全年都能比我更早见到日出了。高度变化哪怕只是一小点儿，改变的视野却超乎想象。

这是个很有意思的问题，只是计算过程略显繁琐，感兴趣的读者可以参考我在博客上的详细讨论：http://scalar1.blog.sohu.com/175861649.html

地球上的“日出西山”

关于日出的话题，我们经常挂在嘴边的“太阳打西边出来”，恐怕是最令人感兴趣的了。对居住在地球上的我们来说，这是最不可能发生的事情了，我们有绝对的把握说一件事情不可能的时候，都会自然地想起这句老话。等等，话可别说的太死，太阳真的不可能打西边出来吗？还真未必！

其实在地球上也能见到太阳打西边出来，这一奇景发生在南、北极点及其紧邻区域！在解释这个天象之前，我们得先弄明白什么是东、南、西、北。大家都知道，地理学上对方向是这样规定的：经线所指的方向为南北方，纬线所指的方向为东西方，东西和南北是垂直的。其实早在地理学的规定之前，古人们就已经通过天体的运动规律对东南西北进行约定了。我们在地球上观测星空，它们都是从东边升起，在西方落下，这是地球自转运动的反映，也是东南西北定义的本源：北是地球自转轴所指的方向，南就是它的反方向，顺着地球自转的方向为东，它的反方向就是西。我们在常说的东南西北方向，就是这几个方向在大地平面上的投影。

那么，北极点的太阳从哪儿升起呢？这是一道著名的脑筋急转弯题，据说还曾被微软公司用作入职面试。许多人（包括微软出面试题的高管）都认为答案是南方。理由很简单，因为没有比北极点更北的地方，所以在北极点往别处看，任意方位都是南方，说这儿的太阳是从南方升起总没错。这是一个很投机取巧的回答，从科学上讲或许没错，但对搞清楚问题的本质却一点帮助都没有。如果我们再接着问，在北极点旁边10米的地方，太阳从哪儿升起？这里离北极这么近，走路都用不了一分钟，所见到的日出与在北极点当然是一样的，那是不是说这儿的太阳也是也从南方升起的呢？显然不是。因为只要没在北极点，哪怕离极点只有0.1米，也仍然能按照定义确定出东、南、西、北四个方向，并不是“所有地方都是南方”。面对这个问题，那个取巧的回答就无能为力了。

北极并不是一个虚无的抽象点，而是依托于地球这个实体而存在的，尽管在这一点上地球的自转速度为零，但这里依然能看到星空自东向西的旋转。给定它附近的任意两点，我们比照东南西北的定义，至少能知道其中哪一点比另一点更偏东。另外，考虑到在北极点是所有的地理经线汇聚之处，我们不妨以地理经线来作为北极点方向的参考线。如此一来，北极的日出方位，就可以根据地理经线确定下来。只是由于地球的公转、自转周期并不能恰好互相整除，所以每年北极日出时，太阳升起处的地理经线的位置并不相同，大体而言，其位置以4年（即平年、闰年的规律）为周期循环变化。例如2011年，北极点日出时，太阳于西经122°处升起，2012年变成了东经149°，2013年为东经63°，2014年为西经26°，2015年又回到西经114°，与2011年相差无几。

可见要回答“北极附近10米的地方太阳从哪儿升起”，还必须知道所在地的经度，否则无法作答。假设这里的经度为0°，那么太阳从西经122°处升起，换算成方位，也就是西偏北32°；假设这儿的经度为东经120°，那么太阳升起的地方换算成方位，就是南偏西42°。如果我们把正西方向南、北各偏45°以内都视为西方，那么2011年，在北极附近从东经13°到东经103°的区域内的观测者看来，太阳都是从西边升起的！

需要说明的是，经过计算可以知道我们所说的“北极附近”，指的是北纬89°56'24"以北的地方，大致上是北极点周围6.6千米的范围内。如果超出这个范围不远，尽管太阳也能冒出地平，但还没来得及升起就会落下，不能算做完整的日出，而超出这个范围更远的地方，虽能见到完整的日出，但再也不能看到太阳从西边升起了。与北极类似，南极点周围6.6千米的范围内，也能见到太阳打西边出来。

关于日出，还有好多有意思的话题，譬如著名的“两小儿辩日”，还有利用一张日落照片估算地球半径（http://www.matrix67.com/blog/archives/3331）等等，限于篇幅，这里不能再做详细讨论。另外，通过站立、卧倒所见的太阳上边缘冒出地平线的时间之差，也可以估算出地球的半径，只是这个方法需要考虑的因素很多，得到的结果和日期、纬度都有关系，大家不妨想想，该怎么操作才能获得最准确的结果？

图4 北极附近俯视图。中心的绿色圆点代表北极点和它周围的紧邻区域，黄色线条表示地理经圈，每两条线的间隔为150°。红色箭头标注的是2011年北极点所见的日出方位，约为西经122°。对北极点周围经度为0°处的观测者来说，这次日出的方位是西偏北32°

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天安门广场的日出

到天安门广场旅游过的人，大都看过庄严肃穆的升国旗仪式。我们可以查询天安门地区管理委员会网站公布的天安门升降旗时刻表（http://www.tiananmen.org.cn/f l ag/index.asp），来了解升国旗仪式的时间。很容易发现这个升、降旗的时间，是根据天安门广场见到的日出日落时刻确定的。关于升旗仪式的具体信息，目前没有官方公告，但有一个在网络上广为流传的资料说：“早晨，当太阳的上边缘与天安门广场所见的地平线相切时，国歌奏响，然后到太阳的下边缘与地平线相切的时候，国旗升到项端，持续时间是两分零七秒。”